Архитектурная физика. Лекции. Видимость в зрелищных помещениях
 Скачать 2.45 Mb.
|
|
6. ВРЕМЯ РЕВЕРБЕРАЦИИ ЗАЛА 6.1. Рекомендуемое время реверберации 6.2. Расчет среднего коэффициента звукопоглощения 6.3. Расчет времени реверберации 6.1. Рекомендуемое время реверберации На рис. 44 показаны оптимальные значения времени реверберации для залов различного назначения в зависимости от их объема на частотах от 500 до 2000 Гц.  Рис. 44. Рекомендуемое время реверберации для залов различного назначения в зависимости от их объема в диапазоне частот 500...2000 Гц: 1 - лекционные залы, залы пассажирских помещений вокзалов; 2 - залы драматических театров, залы многоцелевого назначения средней вместимости, кинотеатры; 3 - залы театров оперы и балета, концертные залы; 4 - спортивные залы Затушеванная полоса 2 показывает рекомендуемые пределы расчетного времени реверберации для залов многоцелевого назначения. Нижняя граница полосы близка к оптимальному времени реверберации для кинопоказа и звукоусиления речи, а верхняя - для камерной музыки и солистов. Рекомендуется в основном придерживаться средних значений затушеванной полосы, что является компромиссом для залов многоцелевого назначения. На частотах ниже 500 Гц допустимо (но не обязательно) некоторое увеличение времени реверберации с тем, чтобы на частоте 125 Гц оно возрастало не более чем на 40%по сравнению с временем реверберации на частоте 500 Гц. 6.2. Расчет среднего коэффициента звукопоглощения Звуковые волны несут с собой механическую энергию, получаемую или от источника звука (звуковую энергию). Падая на какую-либо поверхность, звуковые волны отражаются от нее, теряя часть своей энергии. Этот процесс называется звукопоглощением, а отношение поглощенной при этом энергии к падающей - коэффициентом звукопоглощения a, являющимся безразмерной величиной. При полном поглощении падающей энергии α= 1, а при полном ее отражении α = 0. Коэффициент звукопоглощения некоторой поверхности зависит от ее материала и расположенной за ней конструкции, от частоты звука и угла подения звуковых волн. При акустических расчетах помещений обычно применяются усредненные для разных углов падения коэффициенты звукопоглощения поверхностей, соответствующие диффузному звуковому полю. Для расчета времени реверберации зала надо предварительно подсчитать его воздушный объем V, м3, общую площадь внутренних поверхностей Sобщ , м2общ , м2. и общую ЭПЗ (эквивалентную площадь звукопоглощения) А Если какая-либо поверхность имеет площадь S и коэффициент звукопоглощения α , то величина A = α×S называется эквивалентной площадью звукопоглощений (ЭПЗ) этой поверхности. Из определения звукопоглощения следует, что ЭПЗ есть площадь полностью поглощающей звук поверхности, которая поглощает такое же количество звуковой энергии, как и данная поверхность S. Если S измеряется в квадратных метрах, то такую же размерность имеет и A. К некоторым объектам сложной формы и сравнительно небольших размеров (например, кресла и слушатель) понятие коэффициент звукопоглощения трудно приложимо, и звукопоглощающие свойства такого объекта характеризуются эквивалентной площадью его звукопоглощения. Общая ЭПЗ на частоте, для которой ведется расчет, находится по формуле  (9) где  - сумма произведении площадей отдельных поверхностей S, м2, на их коэффициент звукопоглощения α для данной частоты, определяется по формуле (8);  - сумма ЭПЗ, слушателей и кресел, м2; αДОБ - коэффициент добавочного звукопоглощения, учитывающий добавочное звукопоглощение, вызываемое прониканием звуковых волн в различные щели и отверстия, колебаниями разнообразных гибких элементов и т. п., а также поглощение звука осветительной арматурой и другим оборудованием зала. Коэффициенты звукопоглощения разных материалов и конструкций, а также ЭПЗ слушателей и кресел даны в прил. II (табл. 1). Приведенные в таблице значения получены путем измерения реверберационным методом, дающим коэффициент звукопоглощения, усредненный для разнообразных направлений падения звуковых волн. Значения эти взяты в среднем по разным данным с округлением. Коэффициент добавочного звукопоглощения αдоб для многоцелевых залов рассматриваемой категории в среднем может быть принят равным 0,09 на частоте 125 Гц и 0,05 на частотах 500 ¸ 2000 Гц. Для залов, в которых сильно выражены условия, вызывающие добавочное звукопоглощение (многочисленные щели и отверстия на внутренних поверхностях зала, многочисленные гибкие элементы - гибкие абажуры и панели светильников и т. п.), эти значения следует увеличить примерно на 30%,а в залах, где эти условия выражены слабо, примерно на 30%уменьшить. После нахождения АОБЩ подсчитывается α - средний коэффициент звукопоглощения внутренней поверхности зала на данной частоте:  (10) 6.3. Расчет времени реверберации Время реверберации зала Т, с на частотах до 1000 Гц находится по формуле Эйринга  (11) где V - объем зала, м3; SОБЩ - общая площадь внутренних поверхностей зала, м;  - функция среднего коэффициента звукопоглощения α,значения которой приведены в прил. III (табл. 1). На частотах выше 1000 Гц существенное значение имеет поглощение звука в воздушном объеме зала и время реверберации находится по формуле  (12) где n - коэффициент, м-1,учитывающий поглощение звука в воздухе и зависящий от температуры и относительной влажности воздуха в зале. Значения коэффициента n - приведены в прил. II (табл. 4). Обычно вместо n дается в 4 раза меньший коэффициент m, и тогда n×V принимает вид 4×m×V. При расчете времени реверберации следует для частот 125 и 500 Гц вести расчет по формуле (11), aдля частоты 2000 Гц - по формуле (12). В прил. II(табл. 1, 4) приведены для справок значения α , n и для других частот. В расчете времени реверберации зала, как правило, принимается заполнение слушателями 70%общего количества мест, ЭПЗ остальных мест принимается как для пустых кресел. Согласно опытным данным, при дальнейшем заполнении слушателями мест сверх 70%ЭПЗ уже не возрастает. В залах, для которых наиболее вероятно заполнение слушателями менее 70%мест, расчетный процент заполнения следует соответственно уменьшить. ЭПЗ слушателей в настоящее время часто рассчитывают исходя из коэффициента звукопоглощения площади пола, занятой слушателями, с некоторыми добавками на края этой площади. Рекомендуемый расчет по ЭПЗ, приходящийся на одного слушателя, более прост и для залов рассматриваемого типа с площадью пола около 0,6 м на слушателя дает не менее точный результат. Чтобы время реверберации менее зависело от процента заполнения мест, целесообразно оборудовать зал мягкими или полумягкими креслами, обитыми воздухопроницаемой тканью. В залах с жесткими креслами, обладающими незначительным звукопоглощением, время реверберации малозаполненного зала сильно возрастает по сравнению с заполненным; в таких случаях следует обращать особое внимание на то, чтобы расчетное время реверберации не было завышенным по сравнению со средней линией, показанной на рис. 44. При расчете времени реверберации в залах со сценой, оборудованной колосниками, декорациями, задником и кулисами и отдаленной от зала порталом, объем и площади внутренних поверхностей сцены не учитываются, а вводится площадь проема сцены с коэффициентами звукопоглощения, приведенными в прил. II (табл. 1). Время реверберации следует подсчитывать исходя из предполагаемой отделки зала для частот 125 и 500 Гц по формуле (11), а для частоты 2000 Гц по формуле (12). Если оно окажется меньше рекомендуемого (см. рис. 44), следует увеличить объем зала, если больше - убавить, по возможности, объем и увеличить звукопоглощение. Регулировку объема зала следует производить на ранних стадиях проектирования здания. Выяснить насколько требуется изменить общую ЭПЗ зала, можно следующим образом. Исходя из требуемого времени реверберации Т, вычисляем f(a) для частот 125 и 500 Гц в соответствии с формулой (11):  (13) а для частоты 2000 Гц - в соответствии с формулой (12):  (14) Из прил. III по найденному значению f (α)определяем средний коэффициент звукопоглощения α , после чего подсчитываем требуемую общую ЭПЗ зала:  Сравнив это значение с имеющейся при намеченной отделке зала общей ЭПЗ, видим, насколько следует изменить имеющуюся ЭПЗ для достижения нужного времени реверберации. Окончательный результат должен быть выражен в виде времени ре-верберации, рассчитанного по формулам (11) и (12) для 125, 500 и 2000 Гц, с точностью до 0,05 с. Пример расчета времени реверберации зала приведен в прил. I. ПРИМЕЧАНИЕ. Сравнение расчетного и оптимального времени реверберации удобно и наглядно проводить с помощью диаграммы их частотных характеристик (рис. 45).  Рис. 45. Частотная характеристика времени реверберации 7. РАЗБОРЧИВОСТЬ РЕЧИ В помещениях, предназначенных для слушания речи, основное значение имеет ее разборчивость. Разборчивостью речи называют относительное или процентное количество правильно принятых слушателями элементов речи из общего количества произнесенных. Элементы речи - это слоги, звуки, слова, фразы. Соответственно этому различают слоговую, звуковую, словесную, смысловую разборчивость речи. Определение разборчивости речи осуществляется с помощью специальных артикуляционных таблиц, читаемых диктором в исследуемом помещении. Поэтому данный метод исследования называют артикуляционным. Образцы артикуляционных таблиц слогов приведены в прил. IV (табл. I, 2). Количество слушателей определяется размерами помещения. Обычно в исследовании участвуют не менее 20 слушателей, равномерно распределяемых по всему помещению. Слушатели записывают, в бланки элементы речи так, как они их услышали. Затем слушатели меняются местами и записывают следующие артикуляционные таблицы. Статистическая обработка полученных результатов позволяет оценить разборчивость речи в различных местах помещения. В помещениях, в которых слоговая разборчивость равна или более 85%, разборчивость речи считается отличной. Неудовлетворительной разборчивости речи (около 40%слоговой разборчивости) соответствует примерно 90%разборчивости фраз. Разработан ускоренный метод оценки разборчивости речи - метод выбора. Он отличается тем, что сходные по звучанию слова сгруппированы в таблицы (см. прил. IV, табл. 3). Диктор зачитывает из каждой группы сходных слов только одно слово, а слушатели, имея таблицы, отмечают то слово, которое, по их мнению, было зачитано, затем определяют процент правильно принятых слов. Данный метод требует меньшей тренировки слушателей, но он менее точен, чем артикуляционный. На разборчивость речи оказывают влияние следующие факторы: время реверберации, громкость речи, соотношение уровня постороннего шума (внутри помещения или проникающего снаружи) и уровня громкости речи, а также форма и размеры помещения. На учете данных факторов основан метод расчета разборчивости речи, предложенный Кнудсеном. Так, при времени реверберации около 0,5 с разборчивость речи наибольшая; при увеличении времени реверберации разборчивость речи ухудшается примерно на 10% на каждую секунду времени. Лучшая разборчивость речи наблюдается при уровне речи 70¸80 дБ. Если уровни речи и мешающего шума примерно одинаковы, разборчивость речи снижается до 60%. Исходя из сказанного, время реверберации Т не может увеличиваться неограниченно, так как разборчивость звуковых сигналов ухудшается. Поэтому для помещений в зависимости от источника звука должен быть установлен максимальный объем согласно табл. 2, а в зависимости от этого объема и времени реверберации - максимальная разборчивость речи (рис. 46). Метод Кнудсена позволяет оценить разборчивость речи, не проводя артикуляционных испытаний, то есть на стадии проектирования. Точность метода невысокая, и в последнее время предложен ряд более совершенных способов расчета разборчивости речи, авторами которых являются Рейхард, Низе и другие. Четкость и разборчивость речи в зале, а также качество воспринимаемых музыкальных звуков зависит от силы прямого звука и первых полезных звуковых отражений. Таковыми считаются отражения, поступающие к слушателю с временем запаздывания, по сравнению с прямым звуком, не более 0,05 с для речи и 0,15 ¸ 0,20 с для музыки. Энергия ранних звуковых отражений, как и энергия прямого звука, относится к полезной звуковой энергии. К "бесполезной" относится вся остальная звуковая энергия, представляющая собой реверберирующий фон в помещении.  Рис. 46. Влияние времени реверберации Т на разборчивость речи Р в зависимости от объема помещения, м (по Кнудсену): а - 707; б - 11300; в - 45200 Результирующий эффект восприятия звука в помещении с точки зрения его разборчивости зависит от величины относительного воздействия на слушателя полезной и "бесполезной" частей звуковой энергии. Это отношение называется коэффициентом разборчивости, величина которого определяется по формуле  (15) где  - звукопоглощение при 100%-ном заполнении зала для частот 500-2000 Гц; α - средний коэффициент звукопоглощения при тех же условиях;  - путь первых отражений от источника звука до точки наблюдения, пришедших в течение первых 0,05 (0,15¸0,20) с; α1, α 2, ... α n - коэффициенты звукопоглощения поверхностей, от которых пришли прямые полезные отражения. Минимальной величиной Кр следует считать 0,20, что примерно соответствует 80%артикуляции, при которой слушатели правильно слышат 4/5 от общего количества произнесенных звуков, и качество разборчивости удовлетворительное. Для определения Кp сначала требуется вычислить время запаздывания первых отражении, поступающих в данную точку. В расчете Кp учитываются только первые отражения с временем запаздывания до 0,05 (0,15 ¸ 0,20) с. Время запаздывания первых отражений определяется по формуле  (16) где l1 - расстояние от источника звука до отражающей поверхности, то есть длина падающего на поверхность луча, м; l2 - расстояние от отражающей поверхности до рассчитываемой точки, то есть длина отраженного поверхностью луча, м; r0 - длина пути прямого звука, м; C=340 м/с - скорость распространения звука в воздухе. 8. ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩАЯ ОТДЕЛКА ЗАЛА 8.1. Определение участков поверхностей потолка и стен для размещения звукопоглотителей 8.2. Звукопоглощающие материалы и конструкции 8.1. Определение участков поверхностей потолка и стен для размещения звукопоглотителей Если воздушный объем зала не выходит за его пределы, указанные в разд.2, то для достижения нужного времени реверберации обычно не требуется введения специальных звукопоглощающих материалов. В случае, когда расчет времени реверберации показывает необходимость несколько увеличить ЭПЗ зала, этого проще всего достигнуть применением тонких деревянных панелей, увеличивающих звукопоглощение преимущественно на низких частотах (см. прил. II), тканевых портьер и дорожек, поглощающих в основном средние и высокие частоты. Для исправления возможных акустических дефектов и достижения требуемого времени реверберации используются звукопоглощающие материалы, размещаемые на поверхностях, от которых не попадают к зрителям малозапаздывающие первые отражения. На рис. 47 показаны участки внутренних поверхностей зала (на стенах и потолке), где возможно размещение звукопоглотителей.  Рис. 47. Рекомендуемые зоны размещения звукопоглотителей в зале (заштрихованы): а - на стенах; б - на потолке Для этого необходимо определить положение мнимого источника (Им) и провести прямую в точку А, определяющую зрителя в последнем ряду. Пересечение этой точки с потолком определит зону полезных отражений. Поэтому возможно правее точки пересечения производить обработку потолка звукопоглотителем. На боковых стенах эта зона находится на высоте не менее 1,0 м над головой зрителя, сидящего в последнем ряду. Более точное нахождение участков стен и потолка для размещения звукопоглотителей выполняется следующим образом. Специальные звукопоглощающие материалы, обладающие большим коэффициентом звукопоглощения, не следует размещать на поверхностях, дающих звуковые отражения к слушателям, малозапаздывающие по сравнению с прямым звуком источника. В правильно запроектированном зале такими отражениями в основном являются первые отражения от некоторых участков потолка и стен. Эти участки выявляются путем построения геометрических отражений от разных мест потолка и стен при различных возможных положениях источника звука. Построения производятся методами, изложенными в разд. 5. При этом должно проверяться и время запаздывания отражений в соответствии с п. 5.2, 5.3. Как указано в п. 5.5, такие участки не следует сильно расчленять. Особенно просто, используя метод мнимого источника, определяются участки, дающие первые отражения к слушателям, на более плоских поверхностях. На рис. 48 показано построение такого участка на плоском наклонном потолке. Здесь q и q' - проекции источника; q1и q'1 - проекции мнимого источника. Источник звука находится на эстраде в боковом положении, при котором искомый участок потолка (при учете также симметричного положения источника S) принимает наибольшие размеры. Участок партера, занятый слушателями, в плане заштрихован. Проведя из мнимого источника луч к вершинам этого участка, находим вертикальные проекции a', b', c', d'точек пересечения этих лучей с потолком; после этого на горизонтальных проекциях лучей получаем горизонтальные проекции a, b, c, d тех же точек. Таким образом, многоугольник с горизонтальной проекцией abcd является искомым участком потолка, дающим первые отражения звука к слушателям. Учитывая также симметричное положение источника 3 , получим в плане общий участок потолка aefd, от которого могут попадать к слушателям первые отражения при этих двух положениях источника. Участок для обеспечения отражений от его краев должен быть увеличен по контуру согласно разд.5 добавлением полосы шириной 0,5 м. Оставшийся заштрихованный в плане участок потолка может использоваться для размещения звукопоглощающих материалов. Часть потолка, находящаяся над эстрадой оставлена без отделки звукопоглотителями, так как окружающие эстраду поверхности следует делать малопоглощающими (это существенно и для того, чтобы ранние отражения приходили к самим исполнителям).  Рис. 48. Нахождение участка потолка, пригодного для размещения звукопоглощающих материалов На рис. 49 аналогичным образом найден участок плоской боковой стены, дающий первые отражения к слушателям. Здесь q, q', -горизонтальная и вертикальная проекции источника, a q1, q'1- проекции мнимого источника. Теми же приемами, что и для потолка, находим в вертикальной проекции участок боковой стены da'b'c'd', дающий первые отражения к слушателям. На заштрихованном участке в верхней части стены можно размещать звукопоглощающие материалы. В части стены около пола размещение звукопоглотителя нецелесообразно из-за возможности его повреждения. Значительная часть стены около эстрады (как и часть потолка на рис. 48) оставлена без отделки звукопоглотителем. На задней стене, звукопоглотители следует размещать в тех случаях, когда от нее поступают к слушателям сильно запаздывающие отражения (см. рис. 13). Если же (что более рационально) примыкание потолка к задней стене выполнено таким образом, что она дает раннее отражение к слушателям (см. рис. 16), то ее не следует отделывать звукопоглощающими материалами.  Рис. 49. Нахождение участка стены, пригодного для размещения звукопоглощающих материалов После нахождения указанными приемами участков, дающих первые отражения, следует проверить достаточность размеров этих участков для получения от них геометрических отражений (пользуясь хотя бы приближенно приемами разд. 5, п. 5.1). Если размеры участков окажутся недостаточными, следует их соответственно увеличить (уменьшив, тем самым участки, на которых можно расположить звукопоглотители). Сильно поглощающие материалы и конструкции не следует размещать на участках стен и потолка, дающих первые малозапаздывающие отражения звука к слушателям. На остальной поверхности потолка и стен могут размещаться указанные звукопоглотители. Целесообразно, если это согласуется с интерьером зала, размещать звукопоглотитель раздельными участками площадью 1-5 м2 что несколько увеличивает ее фактическую ЭПЗ и дает некоторое рассеивание отраженного звука. Поверхности пазух над и под балконами не следует отделывать звукопоглощающими материалами. Данные о некоторых специальных звукопоглощающих материалах и конструкциях, имеющих большие коэффициенты звукопоглощения, приведены в прил. II. На рис. 50 показано исправление акустических дефектов зала.  Рис. 50. Исправление акустических дефектов зала: а - отражение звука вдоль стен; б - устройство экрана над сценой (1); в - расположение отражающих (1) и звукопоглощающих (2) поверхностей на плане зала Элементы, стен расположены так неудачно, что отражение звука распределяется лишь вдоль стены, не попадая в среднюю часть зала (рис. 50а). Форма потолка также не обеспечивает необходимое распределение первых отражений звука (рис. 50б). Данный дефект может быть частично исправлен устройством отражающего звук экрана. Элементы стены располагаются под иными углами по отношению к сцене (рис. 50в). Кроме того, до середины зала они делаются отражающими звук, адальше середины - звукопоглощающими. В результате хорошо отражающие звук поверхности равномерно распределяют отраженный звук по залу, Поверхности, отражения от которых не направлены в сторону зала, обработаны звукопоглотителями. Звукопоглощение, помимо устранения нежелательных отражений звука, уменьшает время реверберации, то есть делает зал менее гулким. |